Тяжелые металлы в почвах геохимически сопряженных ландшафтов Красноуральского промышленного узла
Исследование валового содержания тяжелых металлов в почвах в зоне действия медеплавильного комбината ОАО "Святогор", расположенного в Свердловской области. Расчет суммарного коэффициента загрязнения. Коэффициент радиальной дифференциации тяжелых металлов.
| Рубрика | Экология и охрана природы |
| Вид | статья |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 29.05.2021 |
| Размер файла | 1,7 M |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://allbest.ru
Тяжелые металлы в почвах геохимически сопряженных ландшафтов Красноуральского промышленного узла
М.В. Шабанов, М.С. Маричев
Санкт-Петербургский государственный аграрный университет
Представлены результаты исследования валового содержания тяжелых металлов в почвах в зоне действия медеплавильного комбината ОАО «Святогор», расположенного в Свердловской области. В ходе исследований производилась закладка разрезов на различном расстоянии и направлении от источника эмиссии. В отобранных почвенных образцах измерялась валовая концентрация Zn, Cd, Pb, Cu. По результатам анализа проводилось ранжирование с подсчетами: суммарного коэффициента загрязнения, латеральной и радиальной дифференциации тяжелых металлов, показателя техногенности. Для подтверждения путей поступления тяжелых металлов с аэропромышленными выбросами рассчитывалась максимально разовая приземная концентрация в атмосферном воздухе с подсчетом расстояния, на котором данная концентрация достигнет максимального значения. В ходе расчетов суммарного коэффициента загрязнения следует, что районы, находящиеся в непосредственной близости от источника эмиссии, имеют чрезвычайно опасную категорию загрязнения почвы. Также данные участки имеют долю техногенного вовлечения элемента более 90%. Полученные значения коэффициента радиальной дифференциации тяжелых металлов в меридиональном и широтном направлениях свидетельствует о наличии ряда физико-химических геохимических барьеров. Миграция тяжелых металлов между сопряженными системами подтверждается коэффициентами латеральной дифференциации. В ходе работы были выявлены основные источники поступления тяжелых металлов в почву, такие как аэропромышленные выбросы комбината и эоловый перенос с нарушенных земель. Среди выявленных закономерностей распространения тяжелых металлов основными являются наличие высокой степени сопряженности нарушенных земель с автономными естественными областями и периодическая смена направления и мощности аэротехногенных потоков комбината.
Ключевые слова: тяжелые металлы, техногенез, аэропромышленные выбросы, загрязнения почв, сопряженные ландшафты
M.V. Shabanov, M.S. Marichev
Saint Petersburg State Agrarian University
Heavy metals in the soils of geochemically coupled landscapes of the Krasnouralsk Industrial Centre
The results of a study of the gross content of heavy metals in soils in the area of operation of the Svyatogor copper smelter located in the Sverdlovsk region are presented. In the course of the research, sections were laid at different distances and directions from the emission source. The gross concentration of Zn, Cd, Pb, and з Cu was measured in the selected soil samples. According to the results of the analysis, jo a ranking was carried out with the calculations of the total pollution coefficient, lateral and radial differentiation of heavy metals, and the technogenicity index.
In order to confirm the routes of the arrival of heavy metals with airport emissions, І і the maximum single surface concentration in atmospheric air was calculated with g g § the calculation of the distance at which this concentration reaches its maximum о оvalue. In the calculation of the total pollution coefficient, it follows that areas located in the immediate vicinity of the emission source have an extremely dangerous category of soil pollution. Also, in these areas, the proportion of technogenic involvement of the element is more than 90%. The obtained values of the coefficient of radial differentiation of heavy metals in the meridional and latitudinal directions, indicates the presence of a number of physical and chemical geochemical geochemical barriers. The migration of heavy metals between conjugated systems is confirmed by the lateral differentiation coefficients. In the course of the work, the main sources of heavy metals entering the soil were identified, such aeroindustrial emissions of the plant and aeolian transfer from technogenic disturbed lands. Among the identified patterns of distribution of heavy metals, the main ones are the presence of a high degree of relations of disturbed lands with autonomous natural areas and periodic changes in the direction and power of aero-technogenic flows of the plant.
Key words: heavy metals, technogenesis, airport emissions, soil pollution, related landscapes
Введение
Во все среды, в том числе и почвы, могут проникать различные химические элементы. Формирование почв в ландшафте обусловлено сложными разнонаправленными потоками вещества. Наряду с вертикальной миграцией, большую роль играет латеральный (горизонтальный) транспорт вещества по поверхности почвы [Геннадиев, Касимов, 2004].
Предприятия цветной металлургии вносят огромный вклад в принос и вовлечение в геохимическую миграцию элементов, не типичных для областей, сопряженных с ними [Лянгузова, Гольдвирт, Фадеева, 2016; Barkan, Lyanguzova, 2018]. Большинство таких элементов являются потенциальными токсикантами, среди которых весомую долю составляют тяжелые металлы. Как в процессе обработки месторождений, так и при деятельности перерабатывающих комбинатов, формируются нарушенные техногенные ландшафты с высоким содержанием тяжелых металлов, концентрация которых в пределах одной функциональной ландшафтной зоны будет не одинакова. Данное распространение зависит не только от интенсивности поступления техногенных потоков, но и перераспределения поллютантов, их поведения в геохимических барьерах. Особенности формирования процессов поведения будут обуславливать радиальную и латеральную дифференциацию элементов и их соединений.
Так, в районе г. Красноуральск Свердловской области в результате активной деятельности медеплавильного комбината ОАО «Святогор» почвенный покров подвержен высокому техногенному воздействию. В окрестностях образуются почвенные геохимические аномалии тяжелых металлов с нетипично высокими концентрациями для данных областей. Как отмечал Ю.Г. Тютюнник, наблюдается тесная корреляция концентрации тяжелых металлов в атмосферном воздухе и поверхностном почвенном слое почвы [Тютюнник, 1997]. Выявление данных закономерностей свидетельствует о высокой степени влияния аэропромышленных выбросов на формирование прилегающих ландшафтов, что также отмечается рядом исследователей [Liu, Liu, 2018].
В связи с вышесказанным, целью данной работы является изучение валового содержания тяжелых металлов в почвах сопряженных ландшафтов в районе техногенной активности медеплавильного комбината. Для осуществления поставленной цели решались следующие задачи:
1) определить концентрацию тяжелых металлов в почвах района техногенеза;
2) выявить содержание тяжелых металлов в разных типах ландшафта;
3) проследить степень влияния сопряженных систем.
Объекты и методы исследования
Объектом исследования является почвенный покров в окрестностях города Красноуральск. На различном расстоянии от действующего медеплавильного комбината ОАО «Святогор», на одинаковых формах рельефа, закладывались почвенные разрезы (рис. 1). Исследуемые почвы классифицированы как подзолистые и дерново-подзолистые тяжелосуглинистые, с различной степенью оподзоленности и мощностью гумусового горизонта, залегающие на делювии с щебнем местных пород [Классификация и диагностика почв России, 2004]. Рельеф территории сформирован холмисто-волнистой равниной с незначительными перепадами высот [Шабанов, Маричев, 2018].
Для отбора проб на определение содержания тяжелых металлов закладывались полноценные почвенные разрезы на различном расстоянии от источника эмиссии. Определение валового содержания тяжелых металлов (цинка, кадмия, свинца и меди) проводилось методом инверсионной вольтамперометрии по методике МУ 31-11/05, внесенной в Федеральный реестр методик измерений под номером ФР.1.31.2005.02119. Для извлечения валовых форм Zn, Cd, Pb, Cu воздушно-сухая навеска почвы заливалась 50-процентной азотной кислотой в соотношении 1 : 10 (почва : раствор), с дальнейшим кипячением и добавлением 37-процентного раствора пероксида водорода.
Рис 1. Точки отбора проб на территории исследуемого участка. Mасштаб 1 : 20 000.
Fig. 1. Sampling points in the study area, the number of selection points. Scale 1 : 20 000.
Для прослеживания влияния техногенной нагрузки агропромышленных выбросов комбината как основного источника техногенеза исследуемого района производились расчеты суммарного коэффициента загрязнения в поверхностном слое почвы 0-15 см, который концентрирует в себе компоненты воздушной среды приземного слоя.
Для выявления нагрузки и поступления тяжелых металлов с аэро- промышленными выбросами комбината производились расчеты максимально разовой концентрации металлов по средним данным, указанным в исследованиях А.И. Бичукиной [Бичукина, 2008; Бичукина, Парфенова, Копенкина, 2008]. Общие объемы выбросов комбината ОАО «Святогор» составляют 57 282,125 т/год. Характеристика выбросов:
- температура выбросов колеблется от 15 до 380 °С;
- объем отходящих газов от 0,00138 до 61,11 м3/с;
- высоты источников выбросов от 1,3 до 120 м;
- скорость газо-воздушной смеси от 0,00488 до 49,515 м/с [Бичукина, 2008].
Согласно вышеперечисленным параметрам, производился расчет Методы расчетов рассеивания выбросов вредных (загрязняющих) веществ в атмосферном воздухе. Утв. приказом Минприроды России от 6 июня 2017 г. № 273. средних максимально разовой приземной концентрации (CM) в атмосферном воздухе с поправками на 2019 г.
Результаты и обсуждение
Расстояние от источника эмиссии до участка, где максимальная концентрация при учитываемой средней скорости ветра 1,9 м/с и нормальных условиях, определялась по формуле (2). Для исследуемых элементов при CM расстояние будет 1951 м. В дальнейших расчетах изменения параметров концентрации от количества выбросов при той же скорости ветра 1,9 м/с данные изменяются согласно кривой (рис. 2). Произведенные расчеты проводились при условии средней постоянной скорости ветра 1,9 м/с, без учета циркуляции атмосферных потоков и изменения температурного режима. Таким образом, данная расчетная модель показывает наличие постоянного приноса тяжелых металлов с аэрогенными потоками. В связи с интенсивной связью приземного атмосферного воздуха с почвенным покровом происходит обмен из-за диффузионных сил и накопление поллютантов в почвенном покрове. Дальнейшая их миграция в почвенном профиле происходит из-за естественных геохимических процессов и миграцией с инфильтрационными водами.
В связи с изменением количества нагрузки и неоднородности распределения тяжелых металлов с отдалением от источника эмиссии производился учет их валового содержания в 0-15 см толщи исследуемых почв на различном расстоянии. На рис. 3 представлено содержание тяжелых металлов с сравнении с предельно допустимыми концентрациями (ПДК даны по Мукатанову [Мукатанов, 1999]).
Рис. 2. Изменение максимально разовой приземной концентрации металлов (в газовоздушной смеси в пределах 1,5 м от поверхности почвы) с отдалением от источника эмиссии
Fig. 2. Change in the maximum single surface concentration of metals
(in the gas-air mixture within 1.5 m from the soil surface) with distance from the emission source
Участки, имеющие наибольшую концентрация цинка, кадмия, свинца и меди, располагаются в районах в непосредственной близости от комбината (см. рис. 1). В местах отбора проб № 3, 5, 8, 9, 11, 23, 24, 26, 27 концентрация исследуемых металлов превышает ПДК по Мукатанову (см. рис. 3).
По исследованиям зарубежных ученых, кларк цинка в земной коре составляет 76 мг/кг [Гринвуд, Эрншо, 2008]. Отечественный ученый А.Х. Мукатанов установил предельно возможную концентрацию веществ в почве, делая упор на Уральский регион. По его мнению, для цинка ПДК равен 100 мг/кг [Мукатанов, 1999]. В исследуемых нами образцах на территории в радиусе 6-8 км от источника эмиссии концентрация цинка превышает ПДК по Мукатанову в 5 раз и более.
Для кадмия кларк в земной коре по Виноградову составляет 0,13 мг/кг. ПДК в почвах по Мукатанову 3,0 мг/кг [Там же]. В районе интенсивной нагрузки Красноуральского промузла, в местах отбора проб № 3, 11, 20, 24, превышение ПДК - в 1,5-2 раза (см. рис. 3).
Кларк свинца в земной коре по Гринвуду и Эрниго составляет 13,0 мг/кг [Гринвуд, Эрншо, 2008], ПДК в почвах 32,0 мг/кг [Мукатанов, 1999]. На участках, имеющих высокую степень техногенной нагрузки, концентрация свинца выше ПДК в 10-50 раз (см. рис. 3).
Кларк меди в земной коре 47,0 мг/кг [Гринвуд, Эрншо, 2008], ПДК 55,0 мг/кг [Мукатанов, 1999]. В районе исследования, в радиусе 6-8 км от источника выбросов (см. рис. 1), концентрация меди выше ПДК в 20-50 раз (см. рис. 3).
Все вышеописанные районы исследования с концентрациями тяжелых металлов, превышающими ПДК, относятся к участкам, приуроченным к нестабильному функционированию ландшафтных систем. Данные территории являются аллохтонными ландшафтными областями. За счет относительного понижения участков вблизи расположения комбината и его окраин в радиусе порядка 8 км происходит дополнительное подчинение указанных территорий с автохтонными ландшафтами, распределенными в отдаленных районах. Тем самым прослеживается латеральная дифференциация тяжелых металлов в областях, распределенных на границе данных структурных единиц ландшафтов, служащих буферной зоной на пути распространения поллютантов аэропромышленных выбросов.
Автохтонные территории являются автономными за счет наибольшей стабилизации компонентов ландшафтного комплекса. Лесные провинции, функционирующие в полном объеме, обладают высокой способностью к самовосстановлению. Тем самым участки, расположенные на границе между данными комплексами, перераспределяют компоненты техногенных потоков рассеивания в подчиненные системы.
Рис. 3. Содержание тяжелых металлов в верхней минеральной (0-15 см) толще почв исследуемого района: a - цинк; b - медь; c - свинец; d - кадмий.ПДК по [Мукатанов, 1999]mg/kg
Fig. 3. The content of heavy metals in the upper mineral 0-15 cm thick soils of the study area: a - Zn; b - Cu; c - Pb; d - Cd.Permissible concentration for [Mukatanov, 1999]
Для подтверждения вовлечения цинка, кадмия, свинца и меди в геохимический круговорот именно за счет аэрогенного поступления и перераспределения компонентов между ландшафтными комплексами, учитывалась доля техногенности элементов, т.е. процент каждого из исследуемых тяжелых металлов на участках отбора проб (табл. 1). Участки в местах отбора № 3, 5, 8, 9, 11, 20, 24, 26, 27 имеют долю техногенности более 90% (см. табл. 1). Данные районы, помимо прямого поступления поллютантов с аэропромышленными выбросами, имеют дополнительный поток тяжелых металлов с прилегающих ландшафтов, что описывалось выше. Общая картина распределения тяжелых металлов по доле техногенности имеет следующий вид: Cd92 7 > Zn88 8 > Cu88 6 > Pb77 1. В данном ряду распределения большая доля вовлечения кадмия определяется за счет своего наименьшего содержания в материнских породах исследуемого района с относительно высоким содержанием в поверхностном слое почвы. В свою очередь, высокие фоновые значения свинца уменьшают долю его техногенного вовлечения.
Общие закономерности распределения и наличия тяжелых металлов в поверхностном слое почвы обуславливаются наличием такого мощного геохимического барьера, как гумусовый. Значительная часть среди различных форм меди и свинца входит в состав комплексных соединений с органическим веществом [Фоновое содержание и состав соединений, 2015]. Значительное накопление кадмия в гумусово-элювиальных горизонтах происходит за счет вымывания обменных катионов кальция и магния [Шабанов, Маричев, 2018] и вследствие меньшей конкурентной сорбцией с данными ионами [Путилина, 2009].
При подсчете суммарного коэффициента загрязнения (Zc) (см. рис. 4), почвы районов отбора № 7, 15, 25, 28 имеют допустимую категорию загрязнения. Чрезвычайно опасную категорию загрязнения имеют почвы районов отбора № 3, 5, 8, 9, 11, 20, 26, 27. Данные районы наиболее подвержены техногенной деятельности. Происходит поступление поллютантов не только с аэропромышленными выбросами, но и с приносом с техногенно-поверхностных образований, складируемых в окрестностях комбината и Сорьинского хвостохранилища. Остальные участки относятся к опасной категории.
Таблица 1
Доля техногенности элементов в почвах, % [The percentage of technogenic elements in soils, %]
|
Точки отбора проб [Sampling points] |
Zn |
Cd |
Pb |
Cu |
|
|
1 |
70,21 |
92,62 |
21,82 |
43,33 |
|
|
2 |
84,84 |
95,69 |
59,62 |
93,11 |
|
|
3 |
97,37 |
97,91 |
91,51 |
99,45 |
|
|
4 |
85,86 |
93,26 |
99,16 |
69,70 |
|
|
5 |
97,71 |
99,51 |
97,52 |
98,39 |
|
|
6 |
94,77 |
97,85 |
82,18 |
97,73 |
|
|
7 |
82,07 |
79,33 |
62,93 |
65,56 |
|
|
8 |
99,37 |
97,42 |
99,54 |
99,74 |
|
|
9 |
98,22 |
98,71 |
86,39 |
97,29 |
|
|
10 |
90,03 |
90,61 |
47,24 |
87,30 |
|
|
11 |
97,24 |
99,44 |
98,09 |
99,61 |
|
|
12 |
86,80 |
97,33 |
77,13 |
95,96 |
|
|
13 |
90,01 |
95,08 |
87,59 |
97,65 |
|
|
14 |
91,25 |
92,05 |
74,90 |
90,53 |
|
|
15 |
76,73 |
57,53 |
32,28 |
70,19 |
|
|
16 |
87,71 |
97,96 |
92,50 |
96,44 |
|
|
17 |
79,11 |
92,05 |
56,48 |
67,45 |
|
|
18 |
91,95 |
90,61 |
83,56 |
95,47 |
|
|
20 |
94,27 |
99,09 |
95,22 |
98,41 |
|
|
21 |
85,56 |
93,92 |
71,24 |
92,54 |
|
|
22 |
84,61 |
94,83 |
82,61 |
93,71 |
|
|
23 |
89,09 |
90,61 |
86,48 |
95,75 |
|
|
24 |
97,21 |
96,90 |
95,74 |
94,96 |
|
|
25 |
60,79 |
80,63 |
53,51 |
71,95 |
|
|
26 |
89,66 |
98,70 |
91,12 |
98,14 |
|
|
27 |
95,75 |
99,57 |
85,12 |
97,47 |
|
|
28 |
71,80 |
85,78 |
67,91 |
85,38 |
Рис. 4. Коэффициент суммарного загрязнения.
Менее 16 - низкий уровень, 16-32 - средний, 32-128 - высокий, более 128 - очень высокий
Fig. 4. The coefficient of total pollution.
Up to 16 - low, 16-32 - medium, 32-128 - high, more 128 - very high
Для более детального анализа и прослеживания путей распространения и поведения исследуемых тяжелых металлов в почве рассчитывался коэффициент радиальной дифференциации, отражающий наличие закрепления или миграции тяжелых металлов и присутствие геохимических барьеров.
В меридиональном направлении в северной и южной сторонах от источника эмиссии (рис. 5) коэффициент радиальной дифференциации тяжелых металлов больше единицы, что свидетельствует о накоплении их в профиле почв. Особо высокие значения коэффициента отмечены в южном направлении в гумусово-иллювиальных горизонтах. За счет высокой функциональной активности гумусовых кислот происходит образование комплексных гетерополярных соединений с металлами. Далее вниз по профилю отмечается уменьшение коэффициента, что свидетельствует о миграции и наличии иллювиальных процессов в профиле. В северном направлении с отдалением от комбината коэффициент миграции уменьшается в гумусово-элювиальных горизонтах (см. рис. 5).
Рис 5. Радиальная дифференциация тяжелых металлов в почвах в меридиональном направлении: а - цинк; b - кадмий; с - свинец; d - медь
Fig. 5. Radial differentiation of heavy metals in the meridional direction:
a - zinc; b - cadmium; c - lead; d - copper
Рис. б. Радиальная дифференциация тяжелых металлов в широтном направлении: а - цинк; b - кадмий; с - свинец; d - медь
Fig. 6. Radial differentiation of heavy metals in the latitudinal direction:
a - zinc; b - cadmium; c - lead; d - copper
В широтном направлении относительно комбината (см. рис. 6), коэффициент радиальной дифференциации имеет аналогичную закономерность распределения по профилю относительно отдаления от комбината. Наибольшее закрепление тяжелых металлов приурочено к районам вблизи комбината (точки сбора № 8, 27). В дальних участках (точка 15) коэффициент распределен по профилю равномерно, с незначительным увеличением в верхних горизонтах. Данное обстоятельство свидетельствует о меньшем поступлении тяжелых металлов в почву на данном участке, в связи с чем степень накопления в горизонтах незначительная.
В меридиональном и широтном направлениях коэффициент радиальной дифференциации Zn, Cd, Pb, Cu зависит от степени поступления металлов с атмосферными потоками и наличию геохимических барьеров в почве. Вблизи комбината, из-за своей более высокой массы по сравнению с газовой частью, происходит оседание смеси аэрозольных фракций, содержащих взвешенные частицы. Данные компоненты аэрозоля в большей степени содержат медь и цинк [Геохимия окружающей среды, 1990]. За счет более быстрого оседания крупных аэрозольных фракций и более медленного перехода в подвижное состояние и поступления в почву происходит накопление тяжелых металлов, не свойственное для данных областей. С отдалением от эмиссии тяжелые металлы поступают с газовой фракцией в виде ионной формы, тем самым быстрее вовлекаются в геохимический круговорот, закрепляясь или мигрируя в почвенном профиле.
Наряду с внутрипочвенным потоком вещества, обусловленным физико-химическими параметрами, важную роль в формировании ландшафтов играет горизонтальный перенос веществ, или латеральная дифференциация. В зависимости от значений коэффициента латеральной дифференциации, равному отношению содержания элемента в подчиненном ландшафте к его содержанию в автономном, выделяются определенные виды и разновидности элементов (табл. 2).
В меридиональном направлении с южной стороны от источника эмиссии компоненты ландшафтов имеют транзитно-сопряженную разновидность в верхних горизонтах, где L < 0,7 (рис. 7), что zj обусловливается горизонтальной миграцией вещества к сопряженным ландшафтам. К нижним горизонтам происходит преобразование g gj в монотонно-сопряженные комплексы, что свидетельствует о равномерном распределении тяжелых металлов относительно соседних компонентов ландшафтов.
Таблица 2
Виды и разновидности латеральной дифференциации элементов [Геннадиев, Касимов, 2004] [Types and varieties of lateral differentiation of elements [Gennadiev, Kasimov, 2004]]
|
Литогеохимическая дифференциация [Lithogeochemical differentiation] |
Латерально-миграционная дифференциация [Lateral migration differentiation] |
|||
|
Аккумулятивный [Accumulative] |
Монотонный [Monotonous] |
Транзитный [Transit] |
||
|
Ј* > 1,3 |
0.7 <Ј<1,3 |
Ј<0,7 |
||
|
Аккумулятивный (концентрация в подчиненных ландшафтах), L > 1.3 [Accumulative (concentration in subordinate landscapes)] |
Аккумулятивный сопряженный [Accumulative conjugate] |
Монотонноаккумулятивный [Monotonically accumulative] |
Транзитноаккумулятивный [Transit-accumulative] |
|
|
Монотонный (равномерное распределение) [Monotone (uniform distribution)] |
Аккумулятивномонотонный [Accumulative-monotonous] |
Монотонно-сопряженный [Monotone-conjugate] |
Транзитно-монотонный [Transit-monotonous] |
|
|
Транзитный (рассеяние в подчиненных ландшафтах) [Transit (scattering in subordinate landscapes)] |
Аккумулятивнотранзитный [Accumulative-transit] |
Монотонно-транзитный [Monotone-transit] |
Транзитный сопряженный [Transit conjugate] |
Примечание: L - коэффициент латеральной дифференциации элементов.
[Note. L - the coefficient of lateral differentiation of elements.]
Рис. 7. Латеральная дифференциация тяжелых металлов в почве в меридиональном направлении: а - цинк; b - кадмий; с - свинец; d - медь
Fig. 7. Lateral differentiation of heavy metals in the meridional direction:
a - zinc; b - cadmium; c - lead; d - copper
Рис. 8. Латеральная дифференциация тяжелых металлов в широтном направлении: а - цинк; b - кадмий; с - свинец; d - медь
Fig. 8. Lateral differentiation of heavy metals in the latitudinal direction.
a - zinc; b - cadmium; c - lead; d - copper
Севернее комбината (районы отбора проб № 3 и 23) верхние горизонты имеют аккумулятивный сопряженный характер, где коэффициент L > 1,3 (см. рис. 7). В описываемых районах происходит накопление тяжелых металлов за счет преобладания воздушных масс в данном направлении и незначительной отдаленности от источника эмиссии, что также подтверждается наиболее высокой разовой приземной концентрацией исследуемых элементов (см. рис. 2). С глубиной коэффициент латеральной дифференциации изменяется до величины L < 0,7 (см. рис. 7), что свидетельствует о переносе веществ в сопряженные районы. С отдалением от комбината в северном направлении латерально-миграционная дифференциация имеет транзитный сопряженный тип. В районах отбора проб № 24 и 10 коэффициент L < 0,7 (см. рис. 7), что характеризует миграцию тяжелых металлов с сопряженных территорий.
В широтном направлении западнее комбината коэффициент латеральной дифференциации L < 0,7 в верхних горизонтах для Zn и Cu и по всему профилю - для Cd и Pb (рис. 8). Данные участки относятся к транзитным сопряженным разновидностям и характеризуются транспортом элементов в сопряженные районы. Вниз по профилю в местах отбора № 15 и 27 для Zn и Cu разновидность изменяется на аккумулятивную сопряженную, что свидетельствует о накоплении данных металлов в подчиненных районах № 27 (см. рис. 8). Восточнее источника эмиссии лишь средняя часть профиля для Pb и Cu характеризуется аккумуляцией в подчиненных ландшафтах. В остальных случаях происходит рассевание в подчиненные области по всем исследуемым элементам как в верхних горизонтах для Pb и Cu, так и по всему профилю для Zn и Cd. Так, в зависимости от изменений физико-химических процессов, происходит закрепление тяжелых металлов в разных частях почвенного профиля, как в виде прочных органоминеральных комплексов, так и в различных обменных формах с участием адсорбционных сил, что отмечается рядом зарубежных исследователей [Costa et al., 2014; Najafi, Jalali, 2016; Liu, Wang, Xue, 2017].
Выводы
Основные пути поступления тяжелых металлов в почвенный покров происходят с аэропромышленными выбросами в атмосферу. Дальность распространения поллютантов зависит от климатических условий местности и будет отличаться от используемых модельных расчетов. Тем не менее, общая закономерность будет соответствовать полученным расчетам: на расстоянии 2 км от источника эмиссии размер максимально разовой приземной концентрации в атмосферном воздухе, поступающей в час, для Zn - 42,48 мг/м3, Cd - 0,0648 мг/м3, Pb - 3,96 мг/м3, Cu - 2,16 мг/м3. В результате наличия комплекса сопряженных ландшафтных зон общая картина распространения тяжелых металлов и вовлечения их в геохимический круговорот объясняется принципом латеральной и радиальной дифференциации внутри компонентов системы, согласно которым основные транзитные участки располагаются в районах вблизи комбината.
Сопряженные системы выступают в качестве обменных участков с автономными областями. Данные подчиненные территории находятся в пониженных участках местности в радиусе порядка 8 км от источника эмиссии. Тем самым поступление поллютантов происходит еще за счет дополнительных потоков с сопряженных областей и нарушенных территорий. Такой двойной вклад нагрузки на подчиненные системы ведет к еще большей доли техногенной напряженности на ландшафтные комплексы и аккумуляции тяжелых металлов в районах, не подчиняющихся основному аэрогенному принципу распределения масс.
тяжелый металл почва медеплавильный комбинат
Библиографический список / Reference
Бичукина И.А. Методологические основы системы комплексного экологичсекого мониторинга промышленной площадки медеплавильного комбината: на примере ОАО «Святогор»: Дис. ... канд. геол.-мин. наук. Екатеринбург, 2008 [Bichukina I.A. Metodicheskie osnovy sistemy kompleksnogo ekologicheskogo monitoringa promyshlennoj ploshhadki medeplavil'nogo kombinata: na primere OAO “Svyatogor” [Methodical bases of system of complex ecological monitoring of an industrial site of copper-smelting combine: on the example of JSC Svyatogor]. PhD diss. Ekaterinburg, 2008.]
Бичукина А.И., Парфенова Л.П., Копенкина О.А. Факторы формирования геоэкологических условий территории Сорьинского хвостохранилища // Известия вузов. Горный журнал. 2008. № 8. С. 192-194. [Bichukina A.I., Parfenova L.P., Kopenkina O.A. Factors of formation of geoecological conditions of the territory Sor'inskogo tailings. News of Higher Institutions. Mining Journal. 2008. No. 8. Pp. 192-194. (In Russ.)]
Гаврилова И.П., Касимов Н.С. Практикум по геохимии ландшафта. М., 1989 [Gavrilova I.P., Kasimov N.S. Praktikum po geohimii landshafta [Workshop on landscape geochemistry]. Moscow, 1989.]
Геннадиев А.Н., Касимов Н.С. Латеральная миграция вещества в почвах и почвенно-геохимические катены // Почвоведение. 2004. № 12. С. 1447-1461. [Gennadiev A.N., Kasimov N.S. Lateral migration of substances in soils and soilgeochemical catenas. Soil Science. 2004. No. 12. Pp. 1447-1461. (In Russ.)]
Геохимия окружающей среды / Сает Ю.Е., Ревич Б.А., Янин Е.П. и др. М., 1990 [Saet Yu.E., Revich B.A., Yanin E.P. et al. Geohimiya okruzhayushhej sredy [Geochemistry of the environment]. Moscow, 1990.]
Гринвуд Н., Эрншо А. Химия элементов. М., 2008. Т. 1. [Greenwood N., Earnshaw A. Himiya elementov [Chemistry of the elements]. Translated from English. Moscow, 2008. Vol. 1.]
Классификация и диагностика почв России / Шишов Л.Л., Тонконогова В.Д., Лебедева И.И. и др. Смоленск, 2004. [Shishov L.L., Tonkonogovа V.D., Lebedeva I.I. et al. Klassifikatsiya i diagnostika pochv Rossii [Classification and diagnostics of soils in Russia]. Smolensk, 2004.]
Лянгузова И.В., Гольдвирт Д.К., Фадеева И.К. Пространственно-временная динамика загрязнения Al-Fe-гумусового подзола в зоне влияния комбината цветной металлургии // Почвоведение. 2016. № 10. C. 1261-1276. [Lyanguzova I.V., Goldwirt D.K., Fadeeva I.K. Spatio-temporal dynamics of Al-Fe-humus podzol contamination in the zone of influence of the nonferrous metallurgy plant. Soil Science. 2016. No. 10. Pp. 1261-1276. (In Russ.)]
Мукатанов А.Х. Вопросы эволюции и районирования почвенного покрова Республики Башкортостан. Уфа, 1999. [Mukatanov A.H. Voprosy evolyucii i rajonirovaniya pochvennogo pokrova Respubliki Bashkortostan [The evolution and zonation of soil cover of the Republic of Bashkortostan]. Ufa, 1999.]
Путилина В.С., Галицкая И.В., Юганова Т.И. Адсорбция тяжелых металлов почвами и горными породами. Характеристики сорбента, условия, параметры и механизмы адсорбции: Аналитический обзор. Новосибирск, 2009. [Putilina V.S., Galitskaya I.V., Yuganova T.I. Adsorbtsiya tyazhelykh metallov pochvami i gornymi porodami. Kharakteristiki sorbenta, usloviya, parametry i mekhanizmy adsorbtsii [Adsorption of heavy metals by soils and rocks. Characteristics of the sorbent, conditions, parameters, and mechanisms of adsorption]. Analytic review. Novosibirsk, 2009]
Тютюнник Ю.Г. Зависимость содержания тяжелых металлов в урбаноземах § § от уровня загрязнения атмосферного воздуха // География и природные ресурсы. 1997. № 2. С. 63-67. [Tyutyunnik Yu.G. Dependence of the content of heavy т о metals in urbanozems on the level of atmospheric air pollution. Geography and Natural Resources. 1997. No. 2. Pp. 63-67. (In Russ.)]
Фоновое содержание и состав соединений цинка, меди и свинца в черноземе обыкновенном естественных ландшафтов Ростовской области / Бауэр Т.В. , Минкина Т.М., Манджиева С.С. и др. // Научный журнал Российского научноисследовательского института проблем мелиорации. 2015. № 4 (20). С. 186-199. q [Bauer T.V., Minkina T.M., Mandzhieva S.S. et al. Background content and о 2 composition of zinc, copper and lead compounds in ordinary chernozem of natural landscapes of Rostov region. Scientific Journal of the Russian Research Institute of Reclamation Problems. 2015. No. 4 (20). Pp. 186-199. (In Russ.)]
Шабанов М.В., Маричев М.С. Характер изменения кислотно-основных свойств почв в зоне техногенеза (на примере Красноуральского промузла) // Известия Уральского горного геологического университета. 2018. № 1 (49). С. 55-61. [Shabanov M.V., Marichev M.S. The nature of the change of acid-base properties of soils in the zone of technogenesis (on the example of Krasnouralskiy promote)]. News of the Ural State Mining University. 2018. No. 1 (49). Pp. 55-61. DOI: 10.21440/2307-2091-2018-1-55-61 (In Russ.)]
Шабанов М.В., Маричев М.С. Изменение физико-химических свойств почв, подверженных техногенной нагрузке (на примере Красноуральского промузла) // Агрохимический вестник. 2018. № 6. С. 19-25. [Shabanov M.V., Marichev M.S. Change of physico-chemical properties of soils subjected to technogenic load (on the example of Krasnouralsk industrial). Agrochemical Herald. 2018. No. 6. Pp. 19-25. DOI: 10.24411/0235-2516-2018-10054 (In Russ.)].
Barkan V.Sh., Lyanguzova I.V. Concentration of heavy metals in dominant moss species as an indicator of aerial technogenic load. Russian Journal of Ecology. 2018. Vol. 49. No. 2. Pp. 128-134. DOI: 10.1134/S1067413618020030
Baron S., Carignan J., Ploguin A. Dispersion of heavy metals (metalloids) in soil from 800-year-old pollution (Mont-Lozeve, France). Environ Sci. Technol. 2006. Vol. 40. Pp. 5319-5326.
de Costa S.E.T., Guilherme L.R.G., Lopes G. et al. Effect of equilibrium solution ionic strength on the adsorption of Zn, Cu, Cd, Pb, As, and P on aluminum mining by-product. Water Air Soil Pollut. 2014. No. 225. P. 1894. DOI: 10.1007/s11270- 014-1894-0
Liu G., Wang J., Xue W. et al. Effect of the size of variable charge soil particles on cadmium accumulation and adsorption. Soils Sediments. 2017. Vol. 17. P. 2810. DOI: 10.1007/s11368-017-1712-6
Liu Z., Liu Y. Does anthropogenic land use change play a role in changes of precipitation frequency and intensity over the Loess Plateau of China. Remote Sens. 2018. No. 10. P. 1818. DOI: 10.3390/rs10111818
Najafi S., Jalali M. Effect of heavy metals on pH buffering capacity and solubility of Ca, Mg, K, and P in non-spiked and heavy metal-spiked soils. Environmental Monitoring and Assessment. 2016. Vol. 188. P. 342. DOI: 10.1007/s10661-016-5329-9
Сведения об авторах / About the authors
Шабанов Михаил Викторович - кандидат сельскохозяйственных наук; доцент кафедры почвоведения и агрохимии им. Л.Н. Александровой факультета агротехнологий, почвоведения и экологии, Санкт-Петербургский государственный аграрный университет
Mikhail V. Shabanov - PhD in Agricultural Sciences; Associate Professor at the Department of Soil Science and Agrochemistry of the Faculty of Agrotechnology, Soil Science and Ecology, Saint Petersburg State Agrarian University
Маричев Максим Сергеевич - аспирант кафедры почвоведения и агрохимии им. Л.Н. Александровой факультета агротехнологий, почвоведения и экологии, Санкт-Петербургский государственный аграрный университет
Maksim S. Marichev - graduate student at the Department of Soil Science and Agrochemistry of the Faculty of Agrotechnology, Soil Science and Ecology, Saint Petersburg State Agrarian University
Размещено на Allbest.ru
Подобные документы
Исследование основных экологических и химических аспектов проблемы распространения тяжелых металлов в окружающей среде. Формы содержания тяжелых металлов в поверхностных водах и их токсичность. Тяжелые металлы в почвах и растениях. Микробный ценоз почв.
реферат [33,2 K], добавлен 25.12.2010Понятие тяжелых металлов, их биогеохимические свойства и формы нахождения в окружающей среде. Подвижность тяжелых металлов в почвах. Виды нормирования тяжелых металлов в почвах и растениях. Аэрогенный и гидрогенный способы загрязнения почв городов.
курсовая работа [1,9 M], добавлен 10.07.2015Тяжелые металлы в водной среде. Действие оксидов тяжелых металлов на организм некоторых пресноводных животных. Поглощение и распределение тяжелых металлов в гидрофитах. Влияние оксидов тяжелых металлов в наноформе на показатели роста и смертности гуппи.
дипломная работа [987,3 K], добавлен 09.10.2013Характеристика тяжелых металлов и их распространение в окружающей среде. Клиническая и экологическая токсикология тяжелых металлов. Атомно-абсорбционный метод определения содержания тяжелых металлов, подготовка и взятие органических проб гидробионтов.
научная работа [578,6 K], добавлен 03.02.2016Физические и химические свойства тяжелых металлов, нормирование их содержания в воде. Загрязнение природных вод в результате антропогенной деятельности, методы их очистки от наличия тяжелых металлов. Определение сорбционных характеристик катионитов.
курсовая работа [1,2 M], добавлен 23.02.2014Биогеохимические свойства тяжелых металлов. Климатические и природные особенности Биробиджанского района Еврейской автономной области, гидрологическая сеть и источники загрязнения вод. Отбор проб и методика определения содержания тяжелых металлов в рыбе.
курсовая работа [434,1 K], добавлен 17.09.2015Методика земельно-оценочного районирования. Характеристика территории района г. Усть-Каменогорска. Расчет комплексных показателей инженерно-геологических условий, загрязнения атмосферного воздуха, подземных вод, содержания тяжелых металлов в почвах.
курсовая работа [82,1 K], добавлен 11.06.2011Тяжелые металлы как группа химических элементов со свойствами металлов и значительным атомным весом либо плотностью, степень их распространенности в окружающей среде. Факторы, влияющие на концентрацию данных веществ в воздухе, влияние на человека.
доклад [12,2 K], добавлен 20.09.2011Тяжелые металлы в водной среде. Оценка характера воздействия некоторых концентраций оксидов тяжелых металлов в наноформе на основные показатели роста и смертности аквариумных рыб гуппи. Биологическое действие оксидов тяжёлых металлов на организм рыб.
курсовая работа [173,3 K], добавлен 18.07.2014Биологическое значение тяжелых металлов и микроэлементов для различных видов растений. Накопление тяжелых металлов в водной среде и в почве. Изучение состава прибрежно-водной растительности исследуемых озер города Гомеля и озер Мозырского района.
дипломная работа [1,5 M], добавлен 15.12.2016
